Como calcular a pressão de vapor

Quando você está na presença de água que está começando a ferver, sua principal preocupação com a segurança é provavelmente não ser escaldado devido à alta temperatura da água e ao vapor que vaza. Mas você deve ter notado algo mais sobre o vapor ou, por falar nisso, qualquer tipo de matéria na forma de gás: ele não gosta de ser contido e "lutará", muitas vezes com muita força, para escapar. Relatos de acidentes envolvendo a explosão de caldeiras a vapor atendem a essa ameaça.

Quando a água ou outro líquido ferve, em termos físicos, ela está passando por uma transição de fase ou mudança de estado de líquido para gasoso. Dito de outra forma, o pressão de vapor do líquido começou a exceder o do gás acima dele, geralmente a atmosfera da Terra. ("Vapor" é um termo vago que significa gás, por exemplo, "vapor de água" é H₂O no estado gasoso.)

O sólido também pode entrar no estado gasoso diretamente, "contornando" o estado líquido completamente em um processo conhecido como sublimação. Nesse caso, a razão subjacente para a transição de fase é a mesma: os sólidos têm sua própria pressão de vapor e, sob certas condições, o valor dessa pressão pode exceder a pressão atmosférica. Porém, com mais frequência, os sólidos fazem a transição para líquidos.

Na Terra, em condições naturais, a matéria existe em um de três estados: sólido, líquido ou gasoso. Para qualquer substância, essas fases representam aumentos sequenciais na energia cinética média das moléculas da substância, refletidos no aumento da temperatura. Algumas substâncias, entretanto, existem como gases à temperatura ambiente, enquanto outras são líquidas e outras ainda são sólidas; isso é o resultado de algumas moléculas serem mais facilmente separadas dentro de uma substância por uma dada entrada de energia térmica (calor).

Cada elemento e molécula existe como um sólido a 0 K, ou zero absoluto (cerca de –273 ° C). A estrutura da matéria em temperaturas muito baixas é uma rede cristalina sólida. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas, efetivamente travadas no lugar, são capazes de vibrar com o suficiente energia para se libertar da rede, e quando isso acontece em toda a substância, a substância está no líquido Estado.

No estado líquido, a matéria assume a forma de seu recipiente, mas dentro dos limites da gravidade. Quando a energia cinética aumenta ainda mais, as moléculas começam a escapar do interface ar-líquido e entrar no estado gasoso, onde a única coisa que limita a forma do gás é o recipiente que limita o movimento das moléculas de alta energia.

Quando você observa uma panela de água em temperatura ambiente, pode não ser evidente, mas algumas moléculas de água estão flutuando mais ou menos acima da superfície da água, com um número igual (e muito pequeno) retornando à fase da água ao mesmo Tempo. O sistema está, portanto, em equilíbrio, e a pressão de vapor criada pelo escape mínimo de H₂O moléculas é a pressão de vapor de equilíbrio da água.

Como você verá, diferentes substâncias no estado líquido têm diferentes níveis característicos de pressão de vapor P_vapor em temperatura ambiente, com este valor dependendo da natureza das forças intermoleculares entre as moléculas no líquido. Por exemplo, substâncias que têm forças intermoleculares mais fracas, como ligações de hidrogênio, terão níveis mais elevados de equilíbrio P_vapor porque é mais fácil para as moléculas se libertarem do líquido.

Se as condições de equilíbrio são perturbadas pela adição de calor, entretanto, a pressão de vapor do líquido sobe em direção à pressão atmosférica (101,3 quilopascal, 1 atm ou 762 torr). Se o valor da pressão de vapor não fosse dependente da temperatura, seria difícil fazer qualquer líquido (ou sólido) ferver ou evaporar, especialmente aqueles com altos valores de pressão de vapor inerentes.

Uma vez que calor suficiente é adicionado a um líquido para elevar sua pressão de vapor ao nível da pressão atmosférica, o líquido começa a ferver. Quanto calor precisa ser adicionado depende das características da substância. Mas e se a substância não for água pura, mas sim uma solução em que uma substância sólida é dissolvida em um líquido como a água?

A adição de soluto normalmente tem efeitos sobre muitos dos parâmetros de um líquido, incluindo seus pontos de ebulição e fusão (isto é, congelamento). Os parâmetros afetados pela concentração de soluto são conhecidos como propriedades coligativas ("relacionadas à conexão"). A pressão de vapor é reduzida pela adição de soluto, e a extensão em que isso ocorre depende da quantidade de soluto adicionada e, em última análise, da razão molar de soluto para solvente.

• O que a redução da pressão de vapor faz ao ponto de ebulição de uma solução? Quando você pensa sobre a matemática, isso significa que o líquido terá uma lacuna maior entre sua própria pressão de vapor e a pressão atmosférica, e você precisará de mais calor adicionado para fazê-lo ferver. Seu ponto de ebulição é, portanto, aumentado em alguma quantidade.

A equação de interesse nessas situações, que você verá demonstrada a seguir, é uma forma do que é conhecido como Lei de Raoult: P_total= ∑P_euX_eu. Aqui P_total é a pressão de vapor da solução como um todo, e o lado direito representa a soma dos produtos das pressões de vapor individuais e frações molares do soluto e solvente.

Como a água é um líquido e solvente onipresentes, vale a pena investigar os fatores que determinam sua equação de pressão de vapor com mais detalhes.

Água tem um P_vapor de 0,031 atm, ou menos de 1/30 da pressão atmosférica. Isso ajuda a explicar seu ponto de ebulição relativamente alto para uma molécula tão simples; esse valor baixo, por sua vez, é explicado pelas ligações de hidrogênio entre os átomos de oxigênio e os átomos de hidrogênio em moléculas adjacentes (essas são forças intermoleculares, não verdadeiras ligações químicas).

Quando aquecido da temperatura ambiente (cerca de 25 ° C) a cerca de 60 ° C, a pressão de vapor da água aumenta apenas ligeiramente. Em seguida, começa a subir mais acentuadamente antes de atingir um valor de 1 atm a 100 ° C (por definição).

Agora, é hora de você ver a lei de Raoult em ação. Saiba, ao abordar esses problemas, que você sempre pode procurar valores para P_vapor para determinadas substâncias.

Uma solução contém uma mistura de 1 mole (mol) H₂O, 2 mol de etanol (C₂H₅OH), e 1 mol de acetaldeído (CH₃CHO) a 293 K. Qual é a pressão de vapor total desta solução? Observação: As pressões parciais dessas substâncias à temperatura ambiente são de 18 torr, 67,5 torr e 740 torr, respectivamente.

Primeiro, configure sua equação. De cima, você tem

P_total = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_ásX_ás

As frações molares das respectivas substâncias são o número de moles de cada uma dividido pelo total de moles da substância na solução, que é 1 + 2 + 1 = 4. Portanto, você tem X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 e X_ás = 1/4 = 0.25. (Observe que a soma das frações molares deve ser sempre exatamente 1.) Agora, você está pronto para conectar o dado valores para as pressões de vapor individuais e resolva para a pressão de vapor total da mistura de soluções:

P_total = (0,25) (18 torr) + (0,5) (67,5 torr) + (0,25) (740 torr) = 223,25 torr.